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课题名称轴承内圆磨床进给机构设计课题类型设计型( )、论文型( )、实验型( )、其他类型( )课题意义、基本要求、重点需要研究的问题意义：轴承加工是以大批量为特征的，因此加工设备不仅要保证轴承所要求的各项精度而且效率也是一个很重要的指标。而随着轴承工业的发展，对轴承磨床的加工精度和加工效率也提出了更高的要求。进给系统是轴承加工中提高效率的一项关键之一。所以我们有必要去对进给系统进行研究。要求：结构简单、体积小、使用简便；产品技术参数应符合相关技术标准；便于制造；总的要有两张零号图纸的工作量。内容：主要为滚珠丝杠的设计、滚动轴承的选取、步进电机的选取以及联轴器与齿轮减速器的选取，最后进行经给系统精度校核，最终完成进给机构的设计。计划与进度要求1. 3月14日前完成科技英语文献的翻译；2. 2月28日开始进入毕业实习阶段，到生产企业学习了解机器的原理、构造和加工过程，搜集毕业设计需要的文献和资料，并构思开题报告。3. 截止3月6日，完成开题报告，进入设计阶段；4. 3月18日交毕业设计开题报告、实习报告；5. 3.13.25 熟悉设计任务，学习造型软件CAD、UG；6. 3.163.29 方案讨论，之后进入初步计算、设计；7. 4.184.22 期中进度检查，（第9周）；8. 5.15前 完成设计、计算和毕业论文（文字部分），校对摘要英文翻译；9. 5.165.22 预答辩，修正设计错误和论文错误；10. 5月31日止务必交毕业论文。主要参考文献及资料收 集准备1 卢秉恒，机械制造技术基础，机械工业出版社，19992 铁维麟，机床备件手册，机械工业出版社，19993 郑修本，机械制造工艺学，机械工业出版社，19994 戴曙，金属切削机床，机械工业出版社，19995 董刚，机械设计， 机械工业出版社，19996 杨黎明，机械设计简明手册，国防工业出版社，20077 机械零件设计手册，冶金工业出版社，19818 徐灏，机械设计手册，机械工业出版社， 20019 雅谢利，磨床，机械工业出版社，199910 杨黎明 ，机械零部件选用与设计，国防工业出版社， 200611 杜君文，机械制造技术装备及设计，机械工业出版社，200012 金属切削机床夹具手册， 机械工业出版社，199313 凸圆外圈微型深沟球轴承外形尺寸， 机械工业出版社，200114 磨床设计制造基础，机械工业出版社， 200215 最新轴承手册， 电子工业出版社，200616 机械设计机械设计基础课程设计， 高等教育出版社，1995起止日期2011年3月7日2011年6月1日备注自己收集中国期刊网近3年的相关论文及其他相关资料 系主任 教研室主任 指导教师 日期 全自动轴承内圆磨床全自动轴承内圆磨床 进给机构设计说明进给机构设计说明 目 录一 自动轴承内圈内圆磨床总体设计与布局11 1 轴承套圈内圆的磨削原理与特点轴承套圈内圆的磨削原理与特点.2.21.1 基本原理.31.2 轴承内圈内圆磨削的特点.42 轴承内圈内圆磨床的加工对象，范围及要求42.1 机床的加工对象.42.2 机床的加工范围43 机床的主要运动及参数分析53.1 机床应提供的主要运动分析.53.2 机床的运动参数及动力参数54 影响机床加工精度和效率的工艺因素.65 机床主要部件结构方案评价.76 机床的造型设计.87 机床的总体设计.9二二 轴承内圆磨床的工作循环过程轴承内圆磨床的工作循环过程.101 机床的磨削工作过程102 砂轮休整循环11三三 轴承内圆磨床进给系统的设计轴承内圆磨床进给系统的设计.111 导轨的选择111.1 导轨的分类及其特点111.2 导轨的确定.121.3 导轨的校核132 滚珠丝杠的设计132.1 滚珠丝杠的设计132.2 滚珠丝杠副丝杠副传动法面截形，循环方式等的确定.142.3 滚珠丝杠的预紧152.4 滚珠丝杠选取与校核173 滚动轴承的选取与计算.203.1 轴向滚珠丝杠轴和径向滚珠丝杠轴受力分析.203.2 计算轴承寿命.223.3 当量载荷.234 步进电机的选取及设计计算.264.1 转动惯量计算264.2 将负载质量换算成电机输出轴上的转动惯量274.3 计算电机输出的总力矩.274.4 负载起动频率估算.275 联轴器的选取286 齿轮减速器的选取287 进给系统精度校核.337.1 支承滚珠丝杠轴承的变形337.2 支承滚珠丝杠轴承的轴向变形34 小结小结.35致谢致谢35参考文献参考文献36 一一 自动轴承内圈内圆磨床总体设计与布局自动轴承内圈内圆磨床总体设计与布局磨削加工可分为一般磨削和高光洁度磨削（即精密磨削，超精磨削，镜面磨削）两种。对于一般磨削，砂轮可当作一把多刀多刃的铣刀，每一颗磨粒相当于一个刀齿，每一个粒尖相当于一个“刀刃” 。但他与铣刀又不同的地方就是砂轮有无数的刀齿，且刀齿的排列和刀齿的角度都是及不规则的。高速旋转的每一个“刀齿” ，在切削力的作用下，从工件表面上切除一条薄层的切屑，并在工件表面上摩擦发热而产生火化。这样无数磨砺切削的结果，就把工件表面要切除的金属磨去，形成光滑表面。对于精密磨削，超精密磨削和镜面磨削，光滑表面的形成与一般磨削相似，单也有自身的特点。高光洁度磨削是由砂轮通过精细修整后形成等高的微刃切削作用和适当接触压力的摩擦抛光作用，使工件表面获得高的光洁度。1 轴承套圈内圆的磨削原理与特点轴承套圈内圆的磨削原理与特点1.1 基本原理：下图为滚动轴承内圈内孔的磨削原理图。图 1 滚动轴承内圈内孔的磨削原理图磨削时，工件径向进给，砂轮轴轴向往复移动，在粗进给和精进给磨削之间，往往需要修整砂轮。修整时，砂轮退出内孔并在修整器位置往复运动一次，修整器就在砂轮表面去除一层磨料。每修整一次，就必须有一次补偿进给量 a,a 的大小应根据生产条件经验合理确定，一般其数量级为 1-10微米。在内圆磨削中，工件进给一般由机械控制，也有用步进电机控制的。砂轮转速由电主轴控制：砂轮轴向长距离往复运动由油缸控制，而其往复振动则有偏心装置控制。1.2 轴承内圈内圆磨削的特点： 砂轮刚度低内表面磨削时，砂轮受内径限制，常制成较细的悬臂梁状，刚度很低：刚性差，易于变形，从而引起较大的尺寸和形状误差：砂轮轴无进给光磨，恢复变形时间较长，生产率很低。 磨削条件差内表面磨削时，砂轮直径很小，为保证一定的磨削线速度，砂轮轴转速极高，要上万转，很容易引起磨削系统的振动。在磨削时，砂轮与工件接触面积大，磨砺抑郁钝化，且自锐性不能充分发挥，产生热量多，冷却液很难进入磨削区，工件表面极易烧伤。2 轴承内圈内圆磨床的加工对象，范围及要求轴承内圈内圆磨床的加工对象，范围及要求2.1 机床的加工对象该磨床主要用于大批量生产中高级精度的深沟球轴承内径的磨削。主要用于磨削轴承套圈内径，也适合磨削其他环形零件的内径，最适合大批量全自动化生产。2.2 机床的加工范围 该磨床所加工轴承套圈的规格为： 磨孔直径： 20-30 毫米 最大磨削深度： 30 毫米 最大工件外径： 42 毫米加工余量: 0.2-0.35 毫米 加工质量: 高于轴承国家标准对于 P0 级精度的轴承要求2.3 工件的加工精度作为精密的机械元件，滚动轴承工作性能能直接影响逐级的工作性能，直至装在主机关键部件的轴承的工作能力，几乎决定了该逐级的工作性能，除高精密轴承外，像耐高温、耐低温、防锈、防震、高速、高真空、和耐腐蚀等具有特殊性能要求的轴承的质量指标也是十分严格的。一般来说，滚动轴承应具有高的寿命,低的噪音，小的旋转力矩和高的可靠性，这些基本性能要达到这些要求，就必须在机械加工工艺上首先确保轴承零件内圈的以下指标：旋转精度：要求轴承的内圈的几何形状精度和位置精度不超过几微米。尺寸精度：要求内圈的尺寸精度在几微米之内。粗糙度：安装表面粗糙度 Ra 值不大于 0.63m-0.32m。尺寸稳定度：在长期存放和工作时没有明显的尺寸和形状变化。质量指标：尺寸公差 7 微米：圆度 3 微米：粗糙度 0.04m。3 机床的主要运动及参数分析机床的主要运动及参数分析3.1 机床应提供的主要运动分析机床应提供的主要运动分析为实现正常的内圆磨削，所需要的切削运动和辅助运动如下图所示。图 2-2 内圆磨削切削运动和辅助运动图 2.2 中 Vf-横向进给运动：Vr-纵向往复运动：Vd-修整运动：Va-砂轮与工件的接近运动：Ng-砂轮转速：Nw-工件的旋转运动。3.2 机床的运动参数及动力参数机床的运动参数及动力参数磨架最大纵向行程(mm) 400磨架最大轴向行程(mm) 420砂轮轴型号 GDZ-36 GDZ-48 GDZ-60砂轮轴转速 (rpm) 16000 48000 60000砂轮轴功率 (KW) 5.0 3.5 2.5工件轴转速(rpm) 低速 450 567 710 高速 900 1134 1420粗磨速度(mm/min) 0.8-2精磨速度(mm/min) 0.25-0.5快速趋进工作速度(mm/min) 15工件架粗精进给微退量(mm) 0.001-0.01614 影响机床加工精度和效率的工艺因素影响机床加工精度和效率的工艺因素主动测量装置的精度和稳定性，以及砂轮的切削性能都是至关重要的。砂轮的自锐性及在修整期间内的耐磨性是否良好，对内圆磨削尺寸精度，几何精度和精度稳定性有重大影响，小孔磨削事尤为重要。所以，仪表和砂轮是实现正常自动内圆磨削的前提条件。以下着重分析影响内圆磨削尺寸精度，几何精度及磨削效率的磨床结构因素。1. 内圆磨削尺寸精度结构影响因素。工艺系统的运动精度及重复定位精度；工艺系统的静动态刚性；工艺系统的热变形；2.内圆磨削几何精度的磨床结构影响精度工艺系统的运动精度及重复定位精度；工艺系统的静动态刚性；夹具重复定位精度(考虑重修的可能性)几主轴回转精度；3.内圆磨效率的磨床结构影响因素磨削参数，主要是砂轮线速度，横向进给速度，往复频率和工件速度；磨削循环的合理的设计以及空程磨削时间和辅助时间的比重；工艺系统的刚性；机电系统工作的可靠性。5 机床主要部件结构方案评价机床主要部件结构方案评价根据前一节机床结构因素对加工尺寸精度，几何精度和效率影响的分析，现将内圆磨床各主要部件可能采用的结构方案列出，并分别进行刚性评价，精度评价，从而进行方案的比较选择。部件的结构方案是在假设部件结构设计，制造良好的基础上进行的。任何合理的结构方案，如果具体结构设计不当或制造不良，均会使该部件失去其优势，乃至完全打不到预测的结果。各部件结构方案综合评价如下表 2-1：表 2-1 各部件结构方案综合评价部件名称结构方案刚性评价精度评价效率评价夹具定心夹具电磁无心夹具滚轮式无心夹具优优中差优优差优优导轨滑动导轨液静压导轨气静压导轨磙子滚动导轨钢球滚动导轨中优差优中优优优优优优优优优优砂轮主轴滚动支撑皮带轴滚动支撑 DZ 系列电主轴滚动支撑 GDZ 系列电主轴气静压支撑电主轴中中优差中中优优中中优差上述评价是定性的相对比较，曾试图采用加全权记分法来进行比较。由于每种结构各具特点，无法真正做到恰当的确定参数，并赋予适中的加权系数，所以实际上无法进行加权记分法评定。6 机床的造型设计机床的造型设计为了使所设计机床操作方便，减少工人的劳动强度以及外形美观，该内圆磨床在造型设计上采用了以下措施：（1） 为使机床工作场地明快，尽可能将各部件设置在机床本体上。例如，液压系统设置在床身之内；电器箱设置在机床本体后方，占地少，避免外接连线、联管，运输方便；电器箱同时当作机床外部密封的后墙，又可节省材料。全部电器操作件均设置于电器箱前凸部上的控制面板上，调整用操作件和操作用件分片集中安装操作件于操作者易接近的部位，保证操作者视力及精力不被分散。（2） 机床采用半封闭型设计，后防水板用金属结构，前防水板用有机玻璃成型活动式结构，既方便观察，有给人以美观的感觉。机床调整时容易拿下，轻便且易于清洗。实践证明若该为全封闭设计可能更有利于减少油雾对环境的污染。（3） 床各外露部件的几何设计，在满足性能和结构要求的基础上，尽进给系统丝杠螺母(滑动接触消除间隙)步进电机(滚珠丝杠)液压传动滚动丝杠步进电机凸轮机构中优优优差优中优差优中差尺寸控制系统定程磨削气浮塞规测量系统前插式主动测量仪步进电机凸轮杠杆差中优优优优中优空程磨削消除系统控制倒磨削磨削功率控制测量升数法优优优中优中可能符合几何美学的原则。十八世纪以来，人们喜欢用黄金分割法。经过计算后得到如下结果：a=0.618034l。此值实际上接近于优选法的优选点。随着时代的发展，尤其是从卧式机床稳定性出发，人们现在更喜欢较为扁平的结构，几何尺寸比例在 1/2 左右。如下图 2-3 所示：图 2-3 比例在 1/2 左右的机床尺寸示意图其中左图是按黄金分割设计的机床正面图，右图是按加长比例 1：3 设计的机床正面图。由于结构要求，床身的长度及前门框的长度分别为 1200 毫米和 520 毫米，如下图 2-4：图 2-4 本设计的机床外形尺寸（4） 观线条统一化，外漏部分尽可能采用简洁明快感强的直线条和直角相交。过去由于铸造工艺上的困难，也由于流线型审美观，影响到机床大部件，另外均取大圆角过度转折，现在已显陈旧，且给人以傻大的感觉。由于分模铸造的发展，接近直角的转折的小圆角逐渐已经很容易制造，外形平整线条一致，为机床造型美观化提供了有利条件。（5） 充分考虑机床结构设计上的均衡和稳定的关系。考虑工件头架与磨头架实际结构的不平衡性，外部采用有机玻璃密封罩。7 机床的总体设计机床的总体设计为实现连续正常的连续磨削，所需要的切削运动和辅助运动在前面已经介绍，这本已是任何内圆磨床设计者所熟知的。运动方案的设计，实质上决定了机床总体布局方案的选择。对已有轴承内圆磨床的运动设计进行比较分析，其区别在于横向进给运动 V f（有级，无级变化）和纵向运动 Vr，修整运动 Vd 和砂轮与工件接近运动 Va 有哪个部件实现。考虑导规系统结构设计的方便和滑板层次或部件结构的简化，也考虑到自动上下料的方便与否，本机床将所有的横向运动由工件实现，纵向运动由砂轮系统来实现。由此就决定了机床主要布局如下图所示。机床身则选用结构刚性及造型设计均较有利的巨型箱式铸造件结构。二二 轴承内圆磨床的工作循环过程轴承内圆磨床的工作循环过程为了提高磨削质量，加工工步往往分成粗磨和精磨两段。粗磨时进给量较大，一般可达 5.5mm/min。粗磨用以切除大部分磨削余量，尽快把工件加工成准确大形状，为下一步的精磨做好准备。精磨主要是进一步修正工件的形状误差，达到设定的尺寸精度和表面粗糙度，精磨时工件和砂轮的转速不变，但进给量较低，这时磨削力相对减少，切削作用减弱，有利于降低表面粗糙度。其工作循环如图 3-1.图 3-1 内圆磨削时的工作循环机床在工作过程中,还需要两个循环过程：磨削循环和砂轮修复循环。下面分别介绍一下这两个过程。1 机床的磨削工作过程机床的磨削工作过程首先，打开总的电源，气源，启动工作轴，磁滤器，电泵。砂轮轴得到气，启动砂轮轴和液压系统；机械手上料，复位；测爪进入工作，电磁无心夹具上磁。然后，测爪张开，磨架快速左行到底，工件架快跳，快趋，进行粗磨；工件架微退，进行粗光磨。然后精磨，工件架微退，进行精光磨。工件架跳出，步进电机复位，磨架往复停止，磨架快速右行至休整位置，补偿机构进行补偿；测爪收缩，断磁，测爪退出工件，然后机械手上料，进行下一个磨削循环。2 砂轮休整循环砂轮休整循环机械手上料，机械手复位，测爪进入工作并上磁，测爪张开，磨架快速左行至休整位置，休整器倒下，磨架休整左行；磨架快速右行至补偿位置，砂轮架抬起，磨架快速左行到底，工件加快跳，进行磨削。三三 轴承内圆磨床进给系统的设计轴承内圆磨床进给系统的设计1. 导轨的选择导轨的选择1.1 导轨的分类及其特点导轨的分类及其特点导轨主要根据导轨副之间的摩擦情况，导轨分为：（1）滑动导轨两导轨之间为滑动摩擦。结构简单，制造方便，刚度好，抗振性高，是机床上最广泛采用的。特点：导向精度高，不会出现间隙，能自动补偿磨损。一般选取三角形顶角 =90,重型机械采用大顶角 =110120。当水平力大于垂直力，V 形导轨两侧受力不均匀时，采用不对称 V 形导轨。直线导轨和圆导轨均可采用 承载能力大，制造方便。必须留有侧向间隙。不能补偿磨损。用镶条调整时，会降低导向精度。 需注意导轨的保护。直线导轨和圆导轨均可采用 尺寸紧凑，适用于要求高度小导轨层数多的场合。可构成闭式导轨。用一根镶条可以调整各面的间隙。刚度比平面导轨小。制造简单，弯曲刚度小，主要用于受轴向载荷的导轨。适用于同时作直线和旋转运动的场合。（2）滚动导轨滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成。当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再 进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。特点： 滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得： 动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。与 V 型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约 40 倍。适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约 10 倍。能实现高定位精度和重复定位精度。 能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。成对使用导轨副时，具有“误差均化效应” ，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。简化了机械结构的设计和制造。1.2 导轨的确定导轨的确定查机械设计手册 3第二版选取直线滚动导轨副系列，又根据机床设计要求的特点，本设计初步选择:(1)直线滚动导轨副选取四方向等载荷型（GGB 型） ，其特点是：垂直向上向下和左右水平额定载荷是等同的，额定载荷比较大，刚度高。(2)尺寸规格初选 45，其结构形式选择 AA 型。(3)每根导轨上的滑块数为 1。(4)查出磨床的径向间隙为 C1 级。(5)一般的机床设计，在同一个平面上使用的导轨数为 2 个。(6)查出全自动轴承磨床推荐的精度等级为 3。(7)导轨的材料为 HT200.初步确定直线滚动导轨的型号为 GGB45AA1C12 3选择用南京工艺设备制造厂的滚动直线导轨如图 1图 1 滚动直线导轨此导轨的设计参数查询机械设计手册 3第二版 P28-138 页。1.3 导轨的校核导轨的校核 本设计的两个导轨都放在床身上，所以没有必要进行校核。安装时要保证安装精度。2 滚珠丝杠的设计滚珠丝杠的设计2.1 滚珠丝杠的设计滚珠丝杠的设计（1）传动效率高滚珠丝杠传动系统的传动效率高达 90%98%，为传统的滑动丝杠系统的24 倍，能以较小的扭矩得到较大的推力，亦可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。 （2）运动平稳滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。 （3）高精度滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。 （4）高耐用性钢球滚动接触处均经硬化（HRC5863）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。 （5）同步性好由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠传动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。 （6）高可靠性与其它传动机械，液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工一般来说滚珠丝杠在工作中应该预紧以提高丝杠的刚度，从而提高传动精度，但在本机械系统中由于丝杠所承受的弯矩很小，所以我觉得没必要进行预紧，所以安装方式是一端固定一端游动的形式。X 轴向的工作台与其上面所安装的机械结构重力约 10N，焊枪在焊接时由于电流作用与工件之间的相互吸引力约 2N。2.2 滚珠丝杠副丝杠副传动法面截形滚珠丝杠副丝杠副传动法面截形，循环方式等的确定，循环方式等的确定查机械传动设计手册 ，根据滚珠丝杠副螺纹滚道法面截形、参数和特点的比较选择如下：（1）确定选择螺纹滚道法面截形为单圆弧，参数公式见表 8.2-11，接触角为=45。其特点是：磨削滚道的砂轮成形简便，可得到较高的加工精度。有较高的接触强度，但比值/小，运行时摩擦损失增大。接触角 随初srWD始间隙和轴向载荷的大小变化，为保证 =，必须严格控制径向间隙。图o45示如图 2图 2 单圆弧法面截形（2）单圆弧法面截形要求消除间隙和调整预紧必须采用双螺母结构。（3）根据机床的特点，选用内循环浮动式反向器，其特点是径向尺寸小，循环通道短，摩擦损失小，传动效率高。2.3 滚珠丝杠的预紧滚珠丝杠的预紧滚珠丝杠副除了对本身单一方向的传动精度有要求外，对其轴向间隙也有要求，以保证其反向传动的精度。我们通常采用双螺母结构预紧方式（图3）图 3 双螺母结构预紧示意图 双螺母预紧的结构通常有三种：1.垫片调隙式(图 4)图 4 垫片调隙式调整方法：调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移。为便于调整，垫片常制成剖分式。特点：结构简单，装卸方便，刚度高；但调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和预紧。适用于高刚度重载传动。2.螺纹调隙式(图 5)图 5 螺纹调隙式调整方式：调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。特点：结构紧凑，工作可靠，调整方便；但准确性差，且易于松动。用于刚度要求不高或需随时调节预紧力的传动。3.齿差调隙式(图 6)图 6 齿差调隙式调整方式：螺母 1、2 的凸缘上有外齿，分别与紧固在螺母座两端的内齿圈 3、4 啮合，其齿数风别为 Z1和 Z2，且 Z2=Z1+1。两个螺母向相同方向同时转动，每转过一个齿，调整轴向位移量为：(Ph导程)。h12sPZ ZA特点：能够精确地调整预紧力，但结构尺寸较大，装配调整比较复杂，宜用于高精度的传动机构。本设计中将采用的是双螺母内循环垫片调整式滚动螺旋副来消除间隙。垫片调整式有结构比较简单，装卸方便，刚度高的特点。2.4 滚珠丝杠选取与校核滚珠丝杠选取与校核（1） 初始条件本设计的轴向进给长度大于径向进给结构，只校核轴向进给结构用的丝杠如下：由本设计要求可知，估算工作台的重量和安装在工作台上面的电磁夹具给丝杠的平均工作载荷 Fm=4000N，最大轴向行程 420 mm，取用丝杠的工作长度为 672mm，有效滚道长度是 500mm。 两支承间最大距离为：575mm 平均转速100r/m 使用寿命 Lh=15000h,Ra 为 58-62HRC,要求传动精度0.03mm，螺杆材料为：50Mn， 高、中频加热,表面淬火。螺母材料为：CrWMn ，整体淬火、低温回火。返向器材料为：40Cr，离子渗氮处理螺纹滚道法面截形为半圆弧，螺母采用双螺母垫片式预紧方式。（2） 计算载荷（公式摘自机械零件设计手册第二版中册滚动螺旋传动设计计算部分，下同）= （式 1）mCFHLFK K K K1.2 1 1 40004800N 式中为载荷系数，K为硬度系数，为短行程系数。参考机械零FKHLK件设计手册表 18-18，表 18-19，表 18-20 取=1.2，K=1，=1FKHLK（3） 计算额定动载荷计算额定动载荷公式 （式 2）31.67 10000mhacn LcF其中 n 为平均转速，其中 Lh=15000h，取 n =100r/min,代入上式后计算mm得 C =21496.42Na（4） 根据必须的额定动载荷 C 选择螺旋尺寸a根据内循环滚动螺旋副结构，查表 8.2-18机械传动设计手册 ，使选择规格的螺旋副 C 接近 C 或者稍大于 C ，如下表 1，aaa表 1 螺旋尺寸表结合公称直径和公称导程的优先配合，综合考虑选择参数如下：查特征代号确定型号为 FD40 6-3-3/全长 螺纹长度，其尺寸参数如下：额定动载荷 21650,aCN公称直径 040,dmm公称导程 6,hPmm钢球直径 mm3.969wD 圈数 列数=1 3,螺纹升角 =,2 44o基本额定静载荷 =70650NoaC滚道半径 R = 0.52 =2.064mmwD偏心距 e = 0.707x（R-/2）=0.0562mmwD丝杠螺纹内径 d =35.984mm1022deR（5）稳定性验算因为丝杠采用一端固定一端铰支的安装方式，查表 18-7机械零件设计手册长度系数，0.7参照机电一体化系统设计基础表 2-10 取安全系数S=3，因为螺杆较长，丝杠不会发生失稳的最大载荷成为临界载荷 F（N）按下式计算：crF= （式 3）cr 22lEIa式中 E 为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206GP ；l 为丝杠工作长度a（m） ，l=672mm；为丝杠危险截面轴惯性矩（m ）;aI4= （式 4）aI6441d43.140.035964=8.149 10m84 又 0.7可得：298cr3253.14206 8.149 10100.7 672 107.480 10FN（）（）安全系数 S= F/= （式crmF57.480 10187 34000SN5）丝杠安全,不会失稳.（6） 刚度验算按最不利的情况考虑，螺纹螺距因受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起的弹性变形方向是一致的。 滚珠丝杠在工作载荷 F(N)和转矩 T(Nm)共同作用下引起每个导程变形量 (m)为0LA= （式 6）0LACGJTPEAPF22式中,A 为丝杠截面积,A=1/4;为丝杠的极惯性矩, 241mdCJ=/32(m );G 为丝杠的切变模量,对钢 G=83.3GP ;T（Nm）为转矩。CJ41d4a又 T=F （式 7）tan20Dm式中，为摩擦角，其正切值为摩擦系数；为平均工作载荷；可以查mF出螺旋副运动由旋转运动转化为直线运动时取参数摩擦系数 tan=0.0025，又=，所以样有下式：,2 44T=F0tan2mD 34040000.050247 1024.01933 mN按最不利的情况计算，F=F有c20224113229492416464000 101660.001 60.001 4.019333.148.33 10(0.0359)3.14206 100.03591.812 10PFP TLEdGdm 则每米螺纹距离上弹性变形量为 0Lp （式 8）01.8120.01m3.0260.001mLLp而每米螺纹距离上弹性变形量的许用值见机械零件设计手册第0Lp二版中册表 18-17.通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的 1/2，即L=3.02m/m1/2()=1/2 10m/mL0Lp所以丝杠的刚度是完全满足要求的。（7） 效率验算 合格 （式 9）tan0.04774195.01%tan0.050247 综上所校核，该丝杠是符合要求的。同理，径向传动的滚珠丝杠也好似符合要求的。3 滚动轴承的选取与计算滚动轴承的选取与计算3.1 轴向滚珠丝杠轴和径向滚珠丝杠轴受力分析轴向滚珠丝杠轴和径向滚珠丝杠轴一端受力 如图根据如图选取深沟球轴承 6006求当量载荷 P。FA=309.6N1=111.12+ 1664.32= 1668 2=831.62+ 1924.52= 2096.2查表 12-5 可得，6306 轴承的 Cr=27kN，C0r=15.2kN；轻微冲击，取 fP=1.1因，查表可得，e=0.21.0=309.615200= 0.020因，故1= 0.18 P1=fp=1834.8N 1P2=fp=2305.8N 23.2 计算轴承寿命 Lh 已知球轴承 =3，因工作温度小于 120，取 ft=1。 满足寿命要求。另一端受力如图所示，根据图所选取深沟球轴承另一端受力如图所示，根据图所选取深沟球轴承 62066206。3.3 求当量载荷 P。 1=608.562+ 1672.012= 1779.3 2=364.182+ 1000.572= 1064.8查表 12-5 可得，6210 轴承的 C0r=19.8kN，Cr=27kN；轻微冲击，取 fP=1.2P1=fp=2135.2N1P2=fp=1277.7N2 (2)计算轴承寿命 Lh。 已知球轴承 =3，因工作温度小于 120，取 ft=1。（3）因转速较低，此处还需进行静强度计算查表得 X0=0.6，Y0=0.5，S0=1.2P01= 0.6，max=1779.3NC0r/P01=11.13S0=1.2 满足寿命要求。轴向滚珠丝杠副丝杠轴的滚动轴承电机传动部分，初步选择的滚动轴承为 0 基本游隙组，标准精度级的推力球轴承 51206。轴向力 ， ，Y=1.9，X=0.4447.6aFN0.31e 则 121923 ,2819FrN FrN则 1122192350622 1.9281974222 1.9ddFrFNYFrFNY则 1112506953.6aadadFFNFFFN则 115060.2631923arFeF 22953.60.3382819arFeF则 11Pr1923rFN 122Pr0.4 2819 1.9 953.62939XFrYFaN载荷水平面 H垂直面 VNFNH3 .19221NFNV19.521支反力 FNFNH58.25942NFNV69.11032则10610659000100.84 1066060 436.3629393rhrCLhLhnP故合格。 径向滚珠丝杠副丝杠轴的滚动轴承电机传动部分，初步选择的滚动轴承为 0 基本游隙组，标准精度级的推力球轴承 52207。轴向力 ， ，Y=1.7，X=0.4197.19aFN0.35e 则 12686.55,2072.4FrN FrN则1122686.55201.9322 1.72072.4609.522 1.7ddFrFNYFrFNY则2212806.69609.5adaadFFFNFFN则，11806.691.17686.55arFeF22609.50.2942072.4arFeF则 111Pr0.4 686.55 1.7 806.691646XFrYFaN 22Pr2072.4rFN 4 步进电机的选取及设计计算步进电机的选取及设计计算步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数载荷水平面 H垂直面 VNFNH65.6511NFNV13.2161支反力 FNFNH19672NFNV38.6522成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。 选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。 选择步进电机需要进行以下计算： 4.1转动惯量计算在旋转运动中，物体的转动惯量J 对应于直线运动中的物体质量。要计算系统在加速过程中产生的动态载荷，就必须计算物体的转动惯量J 和角加速度，然后得惯性力矩TJ。物体的转动惯量为： J r 2 r dV ，式中：dV 为体积元，为物体密度，r 为体积元与转轴的距离。单位：kgm2。以园柱体为例：J=W/8(D/1000)2式中：L：长度，mmD：直径，mm转矩 22NM 4.2 将负载质量换算成电机输出轴上的转动惯量，常见传动机构与公式如下： Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2 （1-2） 式中 Jt -折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2) J1、J2 -齿轮惯量(Kg.cm.s2) Js -丝杆惯量(Kg.cm.s2) W-工作台重量（N） S -丝杆螺距（cm） J1=W(1/2X3.14XBP/1000)XGL24.3 计算电机输出的总力矩 M M=Ma+Mf+Mt （1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T1.02102 （1-4） 式中 Ma -电机启动加速力矩（N.m) Jm、Jt-电机自身惯量与负载惯量(Kg.cm.s2) n-电机所需达到的转速（r/min） T-电机升速时间（s） Mf=(u.W.s)/(2i)102 （1-5） Mf-导轨摩擦折算至电机的转矩（N.m) u-摩擦系数 -传递效率 Mt=(Pt.s)/(2i)102 （1-6） Mt-切削力折算至电机力矩（N.m) Pt-最大切削力（N） 计算所得力矩 28NM4.4 负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为 fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）(1+Jt/Jm) 1/2 （1-7） 式中 fq-带载起动频率（Hz） fq0-空载起动频率 Ml-起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m) 若负载参数无法精确确定,则可按 fq=1/2fq0 进行估算. （5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率 时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。 （6）负载力矩和最大静力矩 Mmax。负载力矩可按式（1-5）和式（1-6）计算，电机在最大进给速度时，由矩频特性决定的电机输出力矩要大于 Mf 与 Mt 之和，并留有余量。一般来说，Mf 与 Mt 之和应小于（0.2 0.4)Mmax.综上述选取三相混合步进电机 110BYG350A/350A-S(接线型) 3 18 0.6/1.2 3 30000 1600 18 20 80-3505 联轴器的选取联轴器的选取mm35.1996095. 4112n PAd33II0min 输入轴的最小直径为安装联轴器的直径，为了使所选的轴直径与联12d12d轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩，2caATK T查机械设计（第八版） 表 14-1，由于转矩变化很小，故取，则1.3AK =1.3X49.24=64012N.Mm2caATK T 查机械设计课程设计表 14-4，选 Lx3 型弹性柱销联轴器其工称转矩为 1250N.m，而电动机轴的直径为 19mm 所以联轴器的孔径不能太小。取=19mm，半联轴器长度 L=82mm，半联轴器与轴配合的毂孔长度为 60mm。12d轴向滚动丝杠副丝杠轴，选 HL1 型弹性柱销联轴器，其公称转矩为 1250000，半联轴器的孔径 19mm，半联轴器长度 42mm。.N mm径向滚动丝杠副丝杠轴选 Lx3 型弹性柱销联轴器，其公称转矩为 1250000，半联轴器的孔径 19mm，半联轴器长度 42mm。.N mm6 齿轮减速器的选取齿轮减速器的选取所所选取步进电机为 110BYG350C，根据以上查表计算所得选取行星减速器型号为 PL120。7 进给系统进给系统精精度校核度校核根据用户的要求的定位精度, 该内圆磨床机构向进给系统采用半闭环的控制形式, 通过工作台的进给速度及负载惯量与电机惯量的匹配计算, 滚珠丝杠不可能采用与电机直连的形式, 而通过降速比为2的一对齿形带轮传动, 丝杠螺距为6mm。7.1支承滚珠丝杠轴承的变形在轴向载荷作用下, 丝杠在轴线方向上被拉伸或压缩, 变形量的大小与支承方式和螺母工作位置有关。由于丝杠采用两端固定的形式, 根据材料力学求解超静定计算式, 可得变形量 :式中: F 轴向工作载荷, N;E 弹性模量, 对钢, E = 20. 6 104N /mm2;A 丝杠截面积(按内径定), mm2;L 丝杠在支承间的受力长度, mm;a, b 螺母至两端支承的距离, mm当工作台运动到两支承的中间位置时变形量最大, 其最大变形量11ma x = F# L /4EA ( 2)丝杠内径57mm, 因此 丝杠扭转变形所产生的轴向变形量,丝杠受扭矩作用而引起导程发生变化, 一个导程的变化量式中: L0 丝杠导程, mm;则丝杠受扭矩作用在支承长度L 上所产生的轴向变形量 ( 4)式中: # 扭矩作用下丝杠每一导程长度两截面上的相对扭转角, rad。根据材料力学计算式, 扭转角式中: M 丝杠的驱动扭矩, G 剪切弹性模量, 对钢G = 8. 24 104N /mm2J 丝杠截面极惯性矩, mm4。丝杠的驱动扭矩 2式中: % 丝杠的螺旋升角;&摩擦角数控机床进给滚珠丝杠副的螺旋升角%= 2&53,摩擦角&= 10,所以= 0. 94,每一导程长度两截面上相对扭转角丝杠自重弯曲所引起的轴向变形量,丝杠虽然采用两端固定, 预拉伸的结构, 但由于丝杠自重, 轴线发生弯曲变形。根据材料力学超静定结构分析计算, 可得出丝杠自重弯曲变形所引起的轴向变形量 3式中: 中央处挠度,丝杠长4280因丝杠太长, 采用两端固定预拉伸仍不能完全消除丝杠的下垂, 必须考虑丝杠自重的影响, 根据实测值取1mm。则丝杠因自重和载荷变化所产生的轴向变形量:滚珠与滚道面弹性接触变形引起的轴向变形量螺母体变形量包括螺母和螺母座的变形量、螺母的固定螺栓所产生的